航空12脉波逆变器的广义状态空间平均建模方法
阅读：856发布：2023-02-06
专利汇可以提供航空12脉波逆变器的广义状态空间平均建模方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种航空12脉波逆变器的广义 状态空间 平均建模方法，平均建模方法包括以下步骤：获取飞机电 力 系统12脉波逆变器的虚拟线 电压 、虚拟线 电流 以及 开关 函数；以虚拟线电流、虚拟线电压为分析变量获取广义状态空间平均分析变量，同时获取开关函数的等效函数；通过广义状态空间平均分析变量、开关函数的等效函数、以及广义状态空间平均理论获取航空12脉波逆变 电路 的广义状态空间平均模型。本发明不仅考虑了不变分量同时也考虑高阶分量，不仅适用于飞机电力系统小扰动 稳定性 分析，同时也适用于大扰动稳定性分析。相比于状态空间平均模型，在系统出现大扰动时模型的准确性由原来的约6％提高到现有的约3％，准确性提高了将近一倍。，下面是航空12脉波逆变器的广义状态空间平均建模方法专利的具体信息内容。
1.一种航空12脉波逆变器的广义状态空间平均建模方法，其特征在于，所述广义状态空间平均建模方法包括以下步骤：
获取飞机电力系统12脉波逆变器的虚拟线电压、虚拟线电流以及开关函数；
以虚拟线电流、虚拟线电压为分析变量获取广义状态空间平均分析变量，同时获取开关函数的等效函数；
通过所述广义状态空间平均分析变量、所述开关函数的等效函数、以及广义状态空间平均理论获取航空12脉波逆变电路的广义状态空间平均模型。
2.根据权利要求1所述的一种航空12脉波逆变器的广义状态空间平均建模方法，其特征在于，所述开关函数为：
sui＝1、sui＝0分别代表第i相上桥臂导通和关断；sdi＝1、sdi＝0分别代表第i相下桥臂导通和关断，且满足sui+sdi＝1。
3.根据权利要求1所述的一种航空12脉波逆变器的广义状态空间平均建模方法，其特征在于，所述以虚拟线电流、虚拟线电压为分析变量获取广义状态空间平均分析变量具体为：
选取虚拟线电压的直流分量、虚拟线电流的直流分量；虚拟线电压的一阶分量；虚拟线电流的一阶分量；虚拟线电压的二阶分量；虚拟线电流的二阶分量；……虚拟线电流压的n阶分量；虚拟线电流的n阶分量；
将上述直流分量，以及n阶分量作为广义状态空间平均分析变量。
4.根据权利要求1所述的一种航空12脉波逆变器的广义状态空间平均建模方法，其特征在于，所述广义状态空间平均建模方法还包括：
通过所述广义状态空间平均模型进行飞机电力系统小扰动稳定性分析。
5.根据权利要求1所述的一种航空12脉波逆变器的广义状态空间平均建模方法，其特征在于，所述广义状态空间平均建模方法还包括：
通过所述广义状态空间平均模型进行飞机电力系统大信号扰动稳定性分析。
6.根据权利要求5所述的一种航空12脉波逆变器的广义状态空间平均建模方法，其特征在于，所述通过所述广义状态空间平均模型进行飞机电力系统大信号扰动稳定性分析具体为：
通过所述广义状态空间平均模型求解广义状态空间平均变量，分析预想事故集下的大扰动稳定范围。
7.根据权利要求6所述的一种航空12脉波逆变器的广义状态空间平均建模方法，其特征在于，所述通过所述广义状态空间平均模型求解广义状态空间平均变量，分析预想事故集下的大扰动稳定范围具体为：
通过所述广义状态空间平均模型在飞机电力系统出现较大功率变换时，求解广义状态空间平均变量，分析得出主汇流条母线电压、电流、功率所受到的影响程度，进而分析预想事故集下的大扰动稳定范围。
航空12脉波逆变器的广义状态空间平均建模方法
技术领域
[0001] 本发明涉及航空航天、电气工程技术领域，特别是涉及航空电力系统中DC-AC逆变电路在起动、阶跃、故障等大信号扰动建模分析领域，同时，本发明同样适用风于力发电机、光伏发电的并网逆变器出现大扰动时的稳定性建模分析。
背景技术
[0002] 随着飞机制造业的发展，多电飞机以其重量轻、节能、少维护等优点成为未来飞机电力系统发展的趋势。在飞机电力系统供电方式中，变频电源系统相对于恒频电源系统不需要恒速传动装置和二次变换装置，容易实现启动和发电，显著降低了飞机重量。因此，最新民用客机波音787和空客380采用的即是变频电源技术。
[0003] 在新的供配电方式中，飞机供电采用变频电源技术，配电系统采用以直流主汇流条270V为主的配电方式，这种供配电方式可大大提升飞机的能源利用率、减少维护成本，是未来飞机电力系统的发展趋势。相比于交流配电系统，直流配电方式为主的飞机电力系统中，原有的交流负荷将由直流主汇流条通过逆变器输送电能。此种供配电方式下，机载逆变器所承担负荷容量将随之大大增加。以直流配电方式为主的飞机电力系统拓扑结构如图1所示。
[0004] 在飞机起飞、降落、巡航等工况切换，大功率负荷投切以及故障等大信号干扰发生时，连接在直流主汇流条和交流负载之间的逆变器，将不可避免的受到更严重的冲击。这将直接关系到各类恒频交流负载能否正常工作。
[0005] 多电飞机逆变器是飞机电力系统的重要部分，其容量大、工作频率高、开关频繁。由于在直流配电方式下，机载逆变器所连接的负载多是交流恒功率负载，这些恒功率负载具有动态性和非线性。这使得飞机电力系统出现大扰动时，机载逆变器的稳定性不可避免的变得更加突出。
[0006] 目前，飞机电力系统逆变器的稳定性分析方法主要采用时域仿真和数学解析分析方法，其分析范围主要集中在小扰动稳定性分析方面。目前有研究在特定的航空电力系统条件下，利用时域仿真技术，对逆变器的暂态行为进行动态模拟分析；对航空电力系统的多重逆变器，利用其现有拓扑结构进行动态性能时域仿真分析。但是，时域仿真分析方法需要的时间较长，无法从根本上揭示运行机理，难以为系统的设计提供理论上的依据。因此，时域仿真的方法只适用于小容量简单系统分析，不能满足中大型复杂系统分析的需求。
[0007] 数学解析建模的方法则是通过理论分析寻求解析表达式来表征逆变器的特性，其中最具代表性的为状态空间平均法。已发表期刊论文中，有将状态空间平均方法分别运用到单相和三相逆变器分析中，建立了逆变器的小信号分析模型；对航空电力系统的机电作动器及旋转整流器分别搭建状态空间平均模型，进行小扰动稳定性分析。但是，状态空间平均方法在推导过程中是假设状态变量在开关周期内只有微小变化，无法满足快变和大信号扰动的动态分析，不适用机载逆变器的大信号扰动分析。
发明内容
[0008] 本发明提供了一种航空12脉波逆变器的广义状态空间平均建模方法，并对飞机电力系统逆变电路进行分析，实现了飞机逆变电路大信号稳定性动态分析，详见下文描述：
[0009] 一种航空12脉波逆变器的广义状态空间平均建模方法，所述广义状态空间平均建模方法包括以下步骤：
[0011] 以虚拟线电流、虚拟线电压为分析变量获取广义状态空间平均分析变量，同时获取开关函数的等效函数；
[0012] 通过所述广义状态空间平均分析变量、所述开关函数的等效函数、以及广义状态空间平均理论获取航空12脉波逆变电路的广义状态空间平均模型。
[0013] 其中，所述开关函数为：
[0014] sui＝1、sui＝0分别代表第i相上桥臂导通和关断；sdi＝1、sdi＝0分别代表第i相下桥臂导通和关断，且满足sui+sdi＝1。
[0015] 其中，所述以虚拟线电流、虚拟线电压为分析变量获取广义状态空间平均分析变量具体为：
[0016] 选取虚拟线电压的直流分量、虚拟线电流的直流分量；虚拟线电压的一阶分量；虚拟线电流的一阶分量；虚拟线电压的二阶分量；虚拟线电流的二阶分量；……虚拟线电流压的n阶分量；虚拟线电流的n阶分量；
[0017] 将上述直流分量，以及n阶分量作为广义状态空间平均分析变量。
[0018] 进一步地，所述广义状态空间平均建模方法还包括：
[0019] 通过所述广义状态空间平均模型进行飞机电力系统小扰动稳定性分析。
[0020] 进一步地，所述广义状态空间平均建模方法还包括：
[0021] 通过所述广义状态空间平均模型进行飞机电力系统大信号扰动稳定性分析。
[0022] 其中，所述通过所述广义状态空间平均模型进行飞机电力系统大信号扰动稳定性分析具体为：
[0023] 通过所述广义状态空间平均模型求解广义状态空间平均变量，分析预想事故集下的大扰动稳定范围。
[0024] 其中，所述通过所述广义状态空间平均模型求解广义状态空间平均变量，分析预想事故集下的大扰动稳定范围具体为：
[0025] 通过所述广义状态空间平均模型在飞机电力系统出现较大功率变换时，求解广义状态空间平均变量，分析得出主汇流条母线电压、电流、功率所受到的影响程度，进而分析预想事故集下的大扰动稳定范围。
[0026] 本发明提供的技术方案的有益效果是：
[0027] 1、根据实际仿真的需要，适当进行相应的结构简化，选取转态变量的傅里叶变化低阶次项，舍去其余高次项，实现在允许精度范围内提高稳定性分析的精度和速度。
[0028] 2、通过广义状态空间平均模型方法建立的模型进行分析，其不仅考虑了不变分量同时也考虑高阶分量，不仅适用于飞机电力系统小扰动稳定性分析，同时也适用于大扰动稳定性分析。相比于状态空间平均模型，在系统出现大扰动时模型的准确性由原来的约6％提高到现有的约3％，准确性提高了将近一倍。
[0030] 图1为现有技术提供的飞机直流输电系统的结构示意图；
[0031] 图2为航空12脉波逆变器的广义状态空间平均建模方法的流程图；
[0032] 图3为脉波电压型逆变电路图；
[0033] 图4为SPWM信号与交流侧电压波形的示意图；
[0034] 图5为负载端口处电压Vab波形的示意图；
[0035] 图6为交流侧电流Iab波形的示意图。
具体实施方式
[0036] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0037] 实施例1
[0038] 一种航空12脉波逆变器的广义状态空间平均建模方法，参见图2，该广义状态空间平均建模方法包括以下步骤：
[0039] 101：获取飞机电力系统12脉波逆变器的虚拟线电压、虚拟线电流以及开关函数；
[0040] 102：以虚拟线电流、虚拟线电压为分析变量获取广义状态空间平均分析变量，同时获取开关函数的等效函数；
[0041] 103：通过广义状态空间平均分析变量、开关函数的等效函数、以及广义状态空间平均理论获取航空12脉波逆变电路的广义状态空间平均模型。
[0042] 其中，步骤101中的开关函数为：
[0043] sui＝1、sui＝0分别代表第i相上桥臂导通和关断；sdi＝1、sdi＝0分别代表第i相下桥臂导通和关断，且满足sui+sdi＝1。
[0044] 其中，步骤102中的以虚拟线电流、虚拟线电压为分析变量获取广义状态空间平均分析变量具体为：
[0045] 选取虚拟线电压的直流分量、虚拟线电流的直流分量；虚拟线电压的一阶分量；虚拟线电流的一阶分量；虚拟线电压的二阶分量；虚拟线电流的二阶分量；,,,,,,虚拟线电流压的n阶分量；虚拟线电流的n阶分量；
[0046] 将上述直流分量，以及n阶分量作为广义状态空间平均分析变量。
[0047] 进一步地，广义状态空间平均建模方法还包括：通过广义状态空间平均模型进行飞机电力系统小扰动稳定性分析。
[0048] 进一步地，广义状态空间平均建模方法还包括：通过广义状态空间平均模型进行飞机电力系统大信号扰动稳定性分析。
[0049] 其中，通过广义状态空间平均模型进行飞机电力系统大信号扰动稳定性分析具体为：
[0050] 通过广义状态空间平均模型求解广义状态空间平均变量，分析预想事故集下的大扰动稳定范围。
[0051] 其中，通过广义状态空间平均模型求解广义状态空间平均变量，分析预想事故集下的大扰动稳定范围具体为：
[0052] 通过广义状态空间平均模型在飞机电力系统出现较大功率变换时，求解广义状态空间平均变量，分析得出主汇流条母线电压、电流、功率所受到的影响程度，进而分析预想事故集下的大扰动稳定范围。
[0053] 综上所述，本发明实施例通过上述步骤101-步骤103获取到广义状态空间平均模型，通过该模型对飞机电力系统逆变电路进行分析，实现了飞机逆变电路大信号稳定性动态分析。
[0054] 实施例2
[0055] 201：获取飞机电力系统12脉波逆变器的虚拟线电压、虚拟线电流以及开关函数；
[0056] 参见图3，飞机电力系统的12脉波逆变器分析拓扑采用图3所示结构(该结构为本领域技术人员所公知)，该电路由两个三相桥式逆变电路构成，输入直流源为公用直流电源，输出电压通过变压器将两个环节并联。变压器采用Y、△接法，将上下梁桥的变压相差30度，构成12脉波逆变电路。因为，基波相差30度电角度，相应的6次谐波相差180度电角度相互抵消，输出的电压电流不含有6次谐波。对于正弦波调制的三相PWM逆变电路来说，在调制度a为最大值1时，输出相电压的基波幅值为Ud/2，输出的线电压为 因此，变压器环节增加其电压的调节幅度。
[0057] (1)定义如下参数：vdc为飞机主汇流条母线电压；定义相电流为ia、ib、ic，选取线电流为虚拟变量，定义虚拟线电流为iab、ibc、ica，则相电流和虚拟线电流之间满足关系式ia＝iab-ica、ib＝ibc-iab、ic＝ica-ibc；同理，定义相电压为va、vb、vc，选取线电压为虚拟变量，定义虚拟线电压为vab、vbc、vca，则相电压和虚拟线电压之间满足关系式vab＝va-vb、vbc＝vb-vc、vca＝vc-va。
[0058] (2)确定SPWM(正弦脉宽调制)的等效分析：SPWM逆变技术时的开关函数，sui＝1、sui＝0分别代表第i相上桥臂导通和关断；sdi＝1、sdi＝0分别代表第i相下桥臂导通和关断i∈{a,b,c}，且满足sui+sdi＝1；定义m表示PWM(脉宽调制)控制技术的调制系数。
[0059] 202：以虚拟线电流、虚拟线电压为分析变量，将SPWM控制环节经等效，同时分析广义状态分析变量对象；
[0060] 一般的PWM控制方法用于三相逆变时，都是对三相输出相电压进行控制，这里的相电压是指各个输出端相对于直流电压的中点电压而言的。但是，实际工作电路中负载侧的中性点是不和直流电源的中性点相连的。因此，此处采用线电压控制方式，将虚拟线电流、虚拟线电压作为分析变量，使得最后的分析结果真实、且符合航空12脉波逆变器的实际工作环境。
[0061] (1)SPWM开关函数的等效：
[0062] 定义An为第n阶相对应阶的系数，n为傅里叶变换阶数，将开关函数进行傅里叶变换，SPWM开关函数可以表示为，
[0063] 其中，odd表示为奇数，表示开关函数的傅里叶阶数为大于等于1的奇数；ω为初始相位角。
[0064] (2)确定选取虚拟线电压和虚拟线电流的傅里叶几阶变量，综合考虑计算速度和计算精度，以傅里叶一阶变量为例，确定广义状态空间平均分析变量。
[0066]
[0067] 其中，0、0、0为虚拟线电压的直流分量；0、0、0为虚拟线电流的直流分量；1、1、1为虚拟线电压的一阶分量；1、1、1为虚拟线电流的一阶分量。
[0068] 203：获取航空12脉波逆变电路的广义状态空间平均模型；
[0070] k＝k(t)+k(t) (2)
[0071]
[0072]
[0073] 其中，x(t)、y(t)为两个时域信号；k、k为时域信号的k阶分量；t为时间；k为两个时域信号的和；k为信号的乘积；k-i为时域信号的k-i阶；i为时域信号i阶分量； 为时域信号x(t)微分的一阶量；ω为初始相角；k为非负实数。
[0074] 取状态变量的一阶变量，获取航空12脉波逆变电路的广义状态空间平均模型。
[0075]
[0076]
[0077] 其中，负载端电压电流可以表示为
[0078]
[0079] 其中， 为分析时选取的广义状态空间平均变量；R为三相对称负载等效电阻值；Cf、Lf、Rf分别为滤波环节的电容值、电感值和电阻值；x1、x2、…、x18为广义状态空间平均变量；RL为电感的电阻值；ω为基波角速度；m为调制系数；Vdc为直流主汇流条电压；n为变压器的变比； 为初始相角。借助广义状态空间平均变量的分析求解，可以通过式(7)求取虚拟线电压和虚拟线电流，进而求取系统的各项电气变量的值。即在计算式(7)时，需要通过式(6)和式(5)求取各个变量，例如：求取 或x1、x2、x18等。
[0080] 204：通过航空12脉波逆变电路的广义状态空间平均模型进行飞机电力系统小扰动稳定性分析；
[0081] 当飞机电力系统受到微小扰动时，会产生的微小功率变化。利用建立的广义状态空间平均模型，在MATLAB、Saber等仿真软件中搭建仿真模型，可以将微小功率扰动等效转变为负载阻抗的参数变化，因而将电气扰动过程转变为数学模型参数的变化过程。因此，利用此广义状态空间平均模型可以得出12脉波逆变器电路的电压、电流、负荷等波动的变化曲线，进而分析对这些扰动对系统的影响，求取系统的小扰动稳定范围。
[0082] 其中，MATLAB、Saber仿真软件为本领域技术人员所公知，本发明实施例对此不做赘述。
[0083] 205：通过航空12脉波逆变电路的广义状态空间平均模型进行飞机电力系统大信号扰动稳定性分析：
[0084] (1)将这些大信号扰动等效为飞机电力系统参数的变化，得出不同运行工况下对应的参数值，确定飞机电力系统工况切换以及故障时运行的预想事故集；
[0085] 即，所谓飞机电力系统大信号建模分析，是指飞机一般运行中会经历起动、滑行、起飞、爬升、巡航、下降、着陆等多种不同的工况，不同工况之间的动态切换过程伴随着负载功率的较大变化，在多电和全电飞机中，这些负载功率的变化表现为电力负载功率的变化，这增加了飞机电力系统的安全性风险。
[0086] (2)模拟飞机电力系统工况切换的电路参数变化情况；
[0087] 该步骤(1)和(2)为本领域技术人员所公知，本发明实施例对此不做赘述。
[0088] (3)通过广义状态空间平均模型求解广义状态空间平均变量，分析预想事故集下的大扰动稳定范围。
[0089] 即，上述步骤建立的广义状态空间平均模型，由于引入傅里叶的高阶变量，即使在飞机出现较大变化时，对大信号进行稳定性分析也同样适用。利用广义状态空间平均模型可以在飞机电力系统出现较大功率变换时，利用式(1)-(7)求解广义状态空间平均变量，分析得出主汇流条母线电压、电流、功率(由电压和电流求出)等变量所受到的影响程度，进而依据广义状态空间平均模型分析预想事故集下的大扰动稳定范围。
[0090] 综上所述，本发明实施例获取的广义状态空间平均模型适用于逆变电路的动态特性仿真分析，在现有的电气类分析软件的运行环境下，可以按照此模型设置相应的分析参数；同时，利用此模型也可实现飞机电力系统中逆变电路的大信号稳定性分析软件开发、以及运用到监控设备的参数计算中；此模型还可推广到风力发电机和光伏发电等分布式电源的并网逆变器大信号稳定性分析。依据此模型，可以运用到各类逆变电路的小扰动和大扰动动态稳定性分析。当扰动出现时，此模型可以用于有效、准确的分析得出逆变电路的动态响应特性，指导设计、维护、以及电气故障的原因分析。
[0091] 实施例3
[0092] 下面结合具体的实验数据对实施例1和2中的方案进行可行性验证，详见下文描述：
[0093] 确定飞机电力系统逆变电路的分析参数；
[0094] 以Vab和Iab为分析对象，选取逆变电路参数如表1所示
[0095] 表1逆变电路参数
[0096]
[0097] 按照表1中各变量大小进行逆变电路的大扰动分析，在分析时，逆变电路受到的大信号扰动等效为负载阻抗大小的变化。
[0098] 采用SPWM逆变电路，接负载电阻80Ω，其信号和变压器二次侧电压波形如图4所示。
[0099] 设在10ms时出现大扰动，负载突变50％，由80Ω变成40Ω，Vab和Iab的波形对比如图5和图6所示。L1、L2、L3分别为时域仿真、状态空间平均、广义状态空间平均模型(本方法)下仿真得到的电压Vab和电流Iab波形。
[0100] 实验表明，状态空间平均结果与时域仿真结果相差约6％，而广义状态空间平均模型与时域仿真波形相差只有约3％，精度提升约一倍。在启动和负载突变时，状态空间模型其分析结果的误差变大，而广义状态空间平均模型计及高阶变量使得在大扰动时也能比较接近实际逆变器的动态特性。
[0101] 在仿真速度上面，三种模型的仿真时间如表2所示
[0102] 表2实验仿真速度
[0103]
[0104] 广义状态空间平均模型，相比较状态空间平均模型，虽然时间上多用了30％，但其精度提升了一倍。而相对时域器件仿真速度则大大提升，可以有效缩短科研分析时间。
[0105] 本方法在MATLAB仿真环境下，依据广义状态空间平均理论搭建多电飞机电力系统12脉波逆变电路模型。依据实验结果可得以下结论：
[0106] (1)广义状态空间平均模型相对状态空间平均模型计及高阶分量，计及的阶数越高误差越小，同时相应的计算量也增加，阶数的选取根据实际需要的精度和仿真速度而定。
[0107] (2)在大信号干扰时，广义状态空间平均模型含有高阶分量，可较好的反映逆变器实际动态特性，该模型不仅可以满足小扰动的分析，也可满足飞机大扰动变化分析的需要，并具有较高的准确性。
[0108] 因此，广义状态空间平均模型具有可行性和较高准确性，可为飞机逆变电路大扰动动态特性的分析提供理论依据。
[0109] 本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
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